车棚棚顶太阳能发电系统研究

丁晨光，石皓岩，赵 达

（北京信息科技大学自动化学院，北京 100192）

车棚棚顶太阳能发电系统研究

丁晨光，石皓岩，赵 达

（北京信息科技大学自动化学院，北京 100192）

为合理有效利用太阳能资源，研究实现了车棚棚顶太阳能发电系统。提出采用光电单轴追踪及超级电容—蓄电池混合电源系统的设计，克服了传统独立光伏系统的缺点，通过在超级电容与蓄电池之间加入boost-buck变换器保证蓄电池充放电的平稳性。结合车棚使用特点，利用储能蓄电池直接对电动自行车进行充电的DC-DC方案来减少因整流逆变造成的损耗。设计了一种基于光电传感器的新型光强追踪结构，采用双推杆进行光强追踪控制。系统的实际测试效果表明，该系统能够准确、有效运行，并具有较大的节能潜力。

光电单轴追踪；超级电容—蓄电池混合电源；boos t-buck变换器；双推杆结构

0 引言

经济快速发展和人口数量不断增加使得全球对能源的需求越来越大，而目前的主要能源仍然来自于化石燃料，出于可持续发展的战略考虑，可再生能源的开发得到越来越多的重视[1]。其中，太阳能是最具发展潜力的清洁能源之一，但其具有占地面积大、能量密度低、发电输出不稳定等缺点，这些问题也在一定程度上限制了太阳能发电的发展。

随着我国车辆的快速增加，车棚将会越来越多，如果能有效利用车棚顶部的闲置面积，在车棚上装设太阳能电池板进行光伏发电，便能有效收集太阳光资源，并能够为电动车提供充电服务，也可满足夜间的照明需求，在条件允许的情况下还可以将电能输送至电网，产生一定的经济效益。

独立光伏发电系统一般需要配置储能装置才能工作。传统独立光伏发电系统普遍采用铅酸蓄电池进行储能，以保证光伏发电系统输入能量的稳定性。但是，铅酸蓄电池存在一些难以克服的缺点，如循环寿命短、严格的充放电电流等，这些问题限制了独立光伏系统的大规模发展[2-3]。另外，超级电容是一种新型、高效、实用的储能元件，具有功率密度大、循环寿命长、充放电效率高等优点[4-5]。但是，与其他储能装置相比，超级电容器的能量密度较低，难以作为独立储能系统使用，而与蓄电池配合使用则能够优势互补。

因此，本文提出一种车棚棚顶太阳能发电系统设计方案，主要包括太阳角度追踪功能、超级电容—蓄电池混合储能功能、综合控制功能和设备充电功能。首先，将太阳能电池板收集的电能储存在超级电容中，再利用DC-DC整流电路将稳定的电能储存到蓄电池，确保蓄电池充电时输入电压稳定、电流充足，从而达到延长蓄电池寿命和充分发挥出其使用效果的目的。同时，该设计利用车棚的顶部空间作为电池板的铺设空间，不增加额外占地面积，也能够为车棚内的电动自行车等提供充电功能，还能够用于照明和手机等设备的充电。

1 光强追踪系统设计

同等条件下，太阳能发电采用自动追踪发电设备要比固定发电设备的发电量高，图1对固定接收太阳光和追踪太阳光所吸收能量的差异进行了对比。相关研究表明，光伏系统单轴追踪太阳光比固定接收太阳光的光接收率要高出约15%[6]。因此，太阳能发电系统有必要进行光强追踪控制。

图1 固定接收太阳能和追踪太阳光吸收能量比较

常见的闭环太阳追踪方式主要有两种：一种是利用摄像头的图像传感器，另一种是利用光电传感器采集光强信号[1]。前者对硬件及算法要求较高，实现较为困难。本文采用后者，利用改进型光电传感器进行光强追踪。具体方法为：将2块完全相同的光敏元器件间隔一定距离水平并排放置，并在2块光敏元件间固定一个遮光块。当太阳光垂直于接收面时，2块光敏元器件上得到的太阳光辐射相同，此时2块光敏元器件的光电流相等；若阳光斜射，由于遮光块的作用，其中一边的光敏元件会处于遮光块阴影中，这时会使得2块光敏元件上的光辐射量不同，因而感生的光电流出现差值，这样便可利用该光电流差值来调整电池板朝向。

采用TLS2561的光敏元件将光强转换为数字信号进行处理，该元件为光—数字转换器，具有直接I2C接口或者SMBus接口，其内部结构如图2所示。每个设备均连接一个带宽的光敏二极管，以及在单独互补金属氧化物半导体 CMOS (complementary metal oxide semiconductor)集成电路上的一个红外响应光敏二极管。2个光电集成的数模转换器ADC (analog to digital converter)将光敏电流转换成一个数字输出，该数值为各通道的测量光强。

图2 TSL256x内部结构示意图

当太阳光直射时，2块光电传感器接收光强相同。当太阳光斜射时，阳光会被遮光块遮挡，如图3所示。2块光电传感器接收的光强有所不同，此时会产生差值信号，正是利用该差值来驱动调整机构。此外，传感器的灵敏度可以通过调整遮光块的宽度进行改变。

图3 光电传感器—斜射光

光强自动追踪机械控制装置采用双推杆结构，即用2个联动的电动推杆驱动实现电池板角度调整。机械装置的具体结构及其运动示意图分别如图4和图5所示。通过2根电动推杆的伸缩配合实现水平方向的角度调整，通过控制恒速伸缩的电动推杆通电时间即可控制太阳能电池板的调整角度。

图4 光强追踪装置机械结构图

图5 光强追踪装置运动示意图

假定采用的推杆伸缩速度为12 mm/s，行程为20 cm，推杆铰链距固定转轴11 cm，太阳能电池板转动范围为120°，根据几何关系，即可计算出电动推杆的调整率约为7°/秒。

为避免杂光影响传感器判别太阳位置，同时考虑实时调整的能耗，光强追踪装置采取间歇式工作方式，每30 min调整一次，角度矫正完毕后自动等待下一次调整。既能够有效避免实时调整时强烈杂光的干扰，同时也可减少整个系统的能耗。

以2016年北京地区为例，北京夏至日日出时间4∶47，日落时间19∶46，昼长14小时59分，太阳位置移动速度为12°/小时；冬至日日出时间7∶33，日落时间16∶53，昼长9小时20分，太阳位置移动速度约为20°/h。通过计算可知，电动推杆每隔半小时工作1～2 s即可满足功能要求。

2 蓄电池充放电系统设计

2.1 蓄电池充电系统设计

蓄电池的充电方式主要以恒流充电和恒压充电较为常用。其中，恒流充电对极板冲击大、能耗高，充电效率一般低于65%[7]。恒压充电在充电初期蓄电池电压较低时，充电电流较大，但随着电池电压升高，充电电流也逐渐自动减小，其特点是充电时间短、能量损耗较低，效率可达80%。根据光伏小系统特点，若能避免初始充电电流过大，恒压充电是较为理想的充电方式。在此蓄电池充电采用恒压充电方式，而为避免充电时初始电流过大，在充电回路中采取串入电感措施来抑制电流。

通过功率变换器并联是一种有源并联方式，其通过升压或降压的方式对蓄电池和超级电容器进行电压匹配[8]。这种并联方式具有超级电容器能量利用充分、系统设计灵活的优点。在此，采用图6所示的boost-buck功率变换器，其基本原理是当可控开关Q处于通态时，电源经过Q向电感供电使其储存能量，此时电流为i1，同时电容C维持输出电压基本恒定并向负载供电，然后使Q关断，电感L中储存的能量向负载释放，电流为i2。

图6 boost－buck变换器电路图

稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即

当Q处于通态时，uL=E；而当Q处于断态时，uL=-u0，有

所以输出电压为

若改变导通比，则输出电压既可以比输入电压低，也可以比输入电压高。当0＜α＜1/2时为降压，当1/2＜α＜1时为升压，因此将该电路也称之为升降压斩波电路。若Q和D1为无损耗的理想开关，则其输入功率和输出功率相等，此时可将其看作直流变压器。

充电过程时，电池板首先对超级电容器进行充电，电容器电量高于某一阈值后其开始对蓄电池充电，以保证蓄电池充电时的电压稳定性和电流充足，从而可减少频繁不稳定充电对蓄电池造成的损害。流程图和充电整体结构分别如图7所示。

由于超级电容器的端电压与内部储存的电量成正比，若输入电压低于电容器的端电压则无法继续为电容器充电，而太阳能电池板由于受光照强度和气象等因素影响，输出功率波动较大，难以满足输出电压始终高于电容器充电电压的要求。为解决该问题，提出利用功率变换器将太阳能电池板不稳定的输出功率变为恒压输出对超级电容器进行充电。当电容器充满电时，通过功率转换器将超级电容器内的电量转换为恒压输出对蓄电池充电。

图7 蓄电池充电流程图

2.2 蓄电池放电系统设计

由于本文的放电对象主要为电动自行车，所以放电部分的设计也是以为不同电压等级的电动自行车充电为主。需要说明的是，传统光伏发电系统在用电时将蓄电池中储存的电能先逆变为220 V交流电，然后再由用电端整流为直流电给各种电器使用，从储存到使用经历2次变流过程，中间必然会有很多的损耗，这对于光伏小系统来说是相当不划算的。所以，为了减少变流过程中的损耗，提出在如智能化太阳能车棚等光伏小系统中，使用DC-DC功率转换器，直接将光伏系统储能模块里的电能转换为用电端可以直接利用的电能，省去2次变流过程，减少系统损耗。

电动自行车的电瓶是由标准小蓄电池串并联而成，所以有固定的电压等级，较为常见的电压等级有36 V、48 V、60 V等，只需针对不同的电压等级预先设置好充电电路即可。

3 系统功能验证

根据设计方案对太阳光强自动追踪和蓄电池充电系统功能进行了实现，并通过实测对各项功能进行了验证。

3.1 光强自动追踪系统验证

为验证太阳光强自动追踪功能，选择2016年11月份天气晴朗的某一天，将装置放置在室外无遮挡环境下，对其光强自动调节功能进行测试。系统开机后每隔30 min测量一次太阳能电池板的自动调整角度，共记录了10组即5 h的角度数据，详细结果如表1所示。

表1 电池板每30 min调整角度

从太阳光强自动追踪装置的角度调整记录结果看，每0.5 h的角度调整存在0.5°至0.9°的误差， 随着误差的累积第10组角度数据误差达到6.9°，但仍可满足实际的功能需求。

3.2 蓄电池储能装置充电验证

在理想的光照环境下，将12 V 12 AH蓄电池从缺电状态到充满电状态需要5 h左右，光照条件较差时，充电时间会有所延长。本次充电测试共用时6 h，每0.5 h记录一次数据，结果如图8所示，充电过程中，蓄电池两端电压平稳上升，且波动较小。达到最高电压13.8 V之后自动停止充电，有效防止了过充问题。从验证结果看，蓄电池储能装置充电功能满足设计要求。

图8 蓄电池空载充电电流及端电压变化曲线

4 结论

为充分利用车棚闲置空间，对车棚棚顶太阳能发电系统进行研究，主要结论如下。

a）提出采用光电单轴追踪及超级电容—蓄电池混合电源系统的设计，克服了传统独立光伏系统的缺点，提高了太阳能的利用效率。通过在超级电容与蓄电池之间加入boost-buck变换器保证蓄电池充放电的平稳性，改善了蓄电池的充放电效果。

b）提出利用储能蓄电池通过DC-DC转换器直接对电动自行车进行充电的方案，减少了因整流逆变造成的损耗，并设计了一种基于光电传感器的新型光强追踪结构，采用双推杆进行光强追踪控制。

c）根据设计方案对系统功能进行实现，并对各功能进行了测试验证，结果表明，系统能够通过自动调节有效追踪太阳光，且实现对蓄电池的平稳充电及对外不同电压等级的输出。

[1] 张耀明．中国太阳能光伏发电产业的现状与前景 [J]．能源研究与利用，2007(1)：l-6．

[2] 唐西盛，齐智平．超级电容器蓄电池混合电源 [J]．电源技术，2006（11）：68-71．

[3] 王斌，施正荣，朱拓，等．超级电容器—蓄电池应用于独立光伏系统的储能设计 [J]．能源工程，2007（05）：37-41．

[4] 汪娟华，范伟，张建成，等．超级电容器储能系统统一模型的研究 [J]．电力科学与工程，2008，24(2)：1-4．

[5] 鲁蓉，张建成．超级电容器储能系统在分布式发电系统中的应用 [J]．电力科学与工程，2006（3）：63-67．

[6] 李永霞，李战，刘畅，等．基于STC单片机的太阳能电池板自动追日系统 [J]．计算机应用，2013（S2）：331-332，335．

[7] 洪刚．蓄电池太阳能充电系统研究 [D]．重庆大学，2008．

[8] 闫晓金，潘艳，宁武，等．超级电容—蓄电池复合电源结构选型与设计 [J]．电力电子技术，2010，44（5）：75-77．

Study on a Solar Power SystemonBicycle Shed Roof

DING Chenguang,SHI Haoyan,ZHAO Da
（School of Automation,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China）

To use solar energy reasonably and efficiently,the shed roof solar power system is designed.The design of photoelectric single axis tracking and super capacitor-battery hybrid power supply is proposed to overcome the disadvantages of traditional stand-alone photovoltaic systems.Boost-buck converter is added between super capacitor and battery to keep the charge and discharge current of batterystable.Consideringthe usingcharacteristics ofthe shed,a method ofcharging the electric bicycle directly by DC-DC converter and battery is used to reduce the loss caused by the rectification and inversion.A newlight intensity tracking structure based on photoelectric sensor is designed and double push rod structure is used to control the angle adjustment mechanism.The results of actual tests show that the systemcan run accuratelyand effectively,and has a great potential for energysaving.

photoelectric single axis tracking；super capacitor-battery hybrid power supply；boost-buck converter；double push rod structure

TM615

A

1671-0320（2017）04-0015-04

2016年北京市大学生科技创新计划项目支持；北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目资助（CID&TCD201404126）

2017-04-19，

2017-05-05

丁晨光(1996)，男，河南固始人，北京信息科技大学2014级电气工程及其自动化专业本科在读，研究方向为新能源发电技术；

石皓岩(1996)，男，河南洛阳人，北京信息科技大学2014级电气工程及其自动化专业本科在读，研究方向为新能源发电技术；

赵 达(1996)，男，北京顺义人，北京信息科技大学2014级电气工程及其自动化专业本科在读，研究方向为新能源发电技术。